选矿厂矿石破碎S7300控制系统硬件设计毕业论文设计说明书.docx
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选矿厂矿石破碎S7300控制系统硬件设计毕业论文设计说明书
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毕业设计说明书
设计题目：
选矿厂矿石破碎S7-300控制系统硬件设计
摘要
在选矿厂矿石破碎系统的硬件设计上，我们主要进行了硬件的选型和电气原理设计。
首先，我们在对应了解其工艺流程的基础上对其测控点进行统计，然后依据工艺上的要求确定本系统整体的控制思想以及设计方案。
其次，在PLC硬件的选型方面，我们选用西门子S7-300作为我们的核心控制器，工控机为上位机，WinCC界面为组态界面。
其中我们对PLC的CPU模块，各种功能模块进行了选型。
再次，针对工艺的要求，本系统选取了对应不同启动方式的电机。
最后，利用CAD制图软件画出了系统原理图，电机的主电路以及控制电路，PLC柜以及配电柜的电气原理图和连接图。
本文首先对系统的工艺进行了简单介绍，分析了系统工作原理，确定了整个系统的实现方案。
然后，分别对可编程控制器、传感器、变频器和调速电机进行初步的选型，最终设计出硬件电气原理图，并说明了其实现功能。
关键词：
选矿自动化；硬件；PLC；S7-300；电机
Abstract
窗体顶端
Hardwaredesignoftheconcentratororecrushingsystem,wecarriedouttheselectionof.
First,weinthecorrespondingunderstandingoftheprocessonthebasisofitsmonitoringandcontrolpointtostatistics,inaccordancewiththerequirementsontheprocesstodeterminetheoverallsystemofthoughtcontrol,aswellasdesign.
Secondly,intermsofPLC,weselectedSiemensS7-300asthecorecontroller,industrialcomputerastheinterface.WhichthePLCCPUmodule,avarietyoffunctionalmodulesselection.
Again,fortheprocessrequirements,thesystemselectedcorrespondingtodifferentstartmotor.
Finally,theuseofCADdrawingsoftwaretodrawthesystemdiagram,themotormaincircuitandcontrolcircuit,theelectricalschematicandconnectiondiagramofthePLCcabinetandpowerdistributioncabinet.
Firstly,abriefintroductiontotheprocessofthesystem,thesystemworkstodeterminetheoverallsystemimplementation.Then,programmablecontrollers,sensors,inverterandvariablespeedmotors,apreliminaryselection,thefinaldesignofthefunctions.
Keywords:
：
Mineralprocessingautomation;ofmineralproeess-ing）在选矿生产中，采用仪表、自动装置、电子计算机等技术和设备，对选矿生产设备状态和选矿生产流程状况实行监测、模拟、控制，并对生产进行管理的技术。
其主要内容包括选矿测试技术、选矿过程控制、选矿过程数学模型和选矿过程模拟以及选矿生产的计算机管理。
选矿自动化综合应用了传感器技术、电子技术、自动控制理论、通讯技术及电子计算机科学等多方面的成就，选矿自动化的发展与这些学科密切相关。
同时，选矿自动化又必须以选矿工艺流程以及生产技术经济要求为依据。
而矿物资源的贫化，选矿设备的大型化和智能化，以及选矿工艺的不断发展，对设备的效率和可靠性、过程参数的稳定及各段产品的质量提出了更高的要求，这就促进了选矿自动化的发展，使其成为选矿厂正常生产的必要手段和提高选矿厂综合效益的有效途径。
[1]
1.2选矿自动化发展历史
1941年，苏联卡瓦尔斯基（H.儿KaBa:
Ibc阴初等在《选矿厂的调度检查和自动控制》一书中曾论述了选矿自动化问题。
20世纪50年代，选矿自动化是对选矿工艺中某单个参数进行检测或控制，如苏联、瑞典、日本等的一些选厂对混入矿石中的金属物体进行自动探测，在苏联的一些选厂采用差压式或了射线密度计对分级机溢流浓度进行检测并构成闭环控制。
到60年代，已广泛采用电动单元组合仪表进行模拟控制，同时单个参数和单一机组的控制也发展为以车间或全厂为单位的集中控制，各种就地安装的仪表盘被集中到控制室内;60年代末期，开始采用电子计算机进行直接数字控制（如加拿大的累克一杜弗特选厂用PDPS计算机实现DDc控制），用于流程分析的‘在线X荧光分析仪’也已在个别选厂应用，（如芬兰皮卡萨尔米选矿厂）到了70年代，随着电子技术的发展，在线品位分析仪、粒度分析仪、电子皮带秤等检测仪表的应用数量不断增多，有更多的选矿厂采用了计算机控制系统，除DDC外，也有了用两、三台计算机构成的多级控制系统，测量、控制的参数覆盖了整个选矿过程;在控制方式上，稳定化控制渐趋成熟，并开始进行过程最优控制的试验研究，如芬兰皮卡萨尔米选厂的锌浮选控制;同时加强了对磨矿、浮选过程的动力学研究，以进行过程的数学模拟;控制室内的流程监测装置也由模拟流程图发展为实时屏幕显示。
80年代，随着计算机技术的推广，选矿厂使用的测量控制装置在信号规范化、数字化方面有了较大发展，很多仪表自身带有计算机芯片或设备;计算机集散控制系统也逐步在
一些大型选矿厂应用;一些基于单板机、单片机、可编程控制器、智能调节器构成的控制系统，以及一些集检测、控制功能于一体的专用智能仪表，在各个选矿作业过程中得到应用;控制方式上，不仅有常规的串级、前馈加反馈等复杂系统，还针对控制对象的时变特性，研究采用自适应最优控制、模糊控制等控制策略。
如中国研制的自学习模糊控制器，用于破碎机负荷控制，有的选矿厂还采用了专家系统指导生产作业;同期，选矿生产的计算机管理也为大多数选矿厂采用。
测量和控制的主要参数选矿生产的特点是生产具有连续性;原矿的物质组成复杂，性质多变，而且含腐蚀性及对人体有害物质;设备类型多、能耗大;生产车间潮湿、多尘，震动大。
实现自动化可以提高有用矿物回收率、产品质量和劳动生产率，增加企业的经济效益，改善劳动条件，降低生产成本，实现生产的高效和安全。
1.3我国选矿自动化现状、存在的问题
近年来我国选矿自动化取得了很大的进步。
随着电子技术、控制技术、计算机技术等的不断发展，以及选矿厂对自动化的重视，在激烈的市场竞争压力作用下，我国选矿自动化将得到迅速的发展。
但是由于国内选矿自动化研究和应用起步较晚，与国外相比，技术水平明显落后，许多矿山企业不注重成本效益，科技投入少，运营成本高，生产效率低，损耗浪费严重。
进入20世纪80年代以后，在市场竞争的压力下，选矿自动化技术逐步得到重视，自动化水平得到提高，许多新建的矿山引进国外先进控制设备，采用先进的计算机集散控制系统进行选厂自动化控制，一些先进技术得到应用。
选矿与其他行业（如化工）比较，自动化的普及程度与装备水平相对较低，除了流程生产对仪表的依赖程度不同外，制约选矿自动化发展的几个主要因素在于：
1）选矿过程的传感器缺乏创新性，而且质量达不到要求。
一些选矿关键过程传感器仍然存在安装复杂、可靠性低、测量精度低等老问题，这是影响选矿自动化应用和发展的最重要的因素。
另外由于选矿环境比较差导致传感器使用寿命短，检测数据误差大也是一个原因。
2）选矿自动控制设计、开发不合理。
这是许多控制系统不能长期正常运行甚至无法运行的主要原因。
有的设计开发不切合实际，主要表现在控制过程的程序设计不合理；仪表选型不合理，不能充分发挥其性能，对仪表可能出现的问题没有充分估计。
3）一些控制系统投运后需要大量的维护工作，维护成本较高。
有的需要维护人员频繁处理或频繁更换仪表。
许多选矿厂在对自动化系统的长期使用和维护方面缺乏必要的重视，没有长久的系统维护计划，缺乏相关专业的技术人员进行自动化系统的维护，无法自行解决系统可能出现的故障。
一旦系统开发方的技术支持减弱，系统很可能因为设备故障、工况变化、人员变化等情况而难以正常运行。
一些选矿厂认为控制系统投运后就可一劳永逸，不作备品备件，出现问题后既不更换也不维修，特别是一些关键的仪表，出现故障后相关的控制回路甚至整个控制系统无法正常运行。
1.4选矿厂破碎工艺流程及流程图
当前我们国内选矿厂处理的铁矿石主要有磁铁矿和赤铁矿两大类，其中磁铁精矿产量约占我国铁精矿产量的34，而且国内大部分铁矿山在选矿技术革新方面针对的也主要是这两类矿石。
在铁矿资源中，鞍山式铁矿分布最广，是我国最重要的铁矿床，其储量约占全国铁矿石总储量的一半以上，而且规模一般比较大，其矿石类型以磁铁矿为主，是当前国内厂最主要的入选矿石类型。
近年来出现的比较成功的新工艺具有代表性的主要有：
“阶段磨矿﹑弱磁选―反浮选工艺”，“全磁选选别工艺”，“超细碎―湿式磁选抛尾工艺”。
[2]
本设计依据磁铁矿选矿厂进行，整个工艺分为破碎筛分、磨矿分级两各阶段。
[3]
图1破碎环节工艺流程图
图1破碎环节工艺流程图
破碎环节是选矿的第一环节，其工艺流程如图1所示。
矿石由矿山经传送带送至鳄破料仓，选矿工作进入准备状态：
首先由鳄破压料机将矿石（较大块）压入鳄破机，经由鄂破机破碎成较小块矿石；破后矿石由1#皮带传送到1#圆锥破，1#皮带中部装有金属监测仪，若矿石中由较大块含铁量较高矿石，一号皮带会停止，以便拿去较大块含铁量较高矿石，防止该类矿石进入圆锥破，造成圆锥破电机负荷变大，损害电机；矿石由1#圆锥破破碎后，矿石破碎程度已经很高，后由2#皮带运输至1#磁化轮，铁矿石部分选至3#皮带，不含铁部分由轮外去毛至8#皮带；3#皮带运输的矿石部分至4#皮带，4#皮带将1#磁化轮所选矿石运送至电振筛，破碎环节合格矿石产品成为筛下物，由6#皮带送至磨矿物料缓冲仓；较大块矿石成为筛上物，由5#皮带运送至2#圆锥破，进行第二次锥破，破后矿石由7#皮带运输至2#磁化轮，进行2次选别，选出的矿石至3#皮带，后进4#皮带运输至电振筛，去毛物则至8#皮带。
至此整个破碎筛分过程完成。
1.5设计的理念及解决方案
本设计的提出是由于：
选矿生产过程中存在着亟待解决的问题，同时要求能够实现大规模的生产，提高生产率。
这就要求我们对以往的系统进行改进，落后的手工操作将人的因素引选矿生产的各个环节，使先进工艺难以在生产中实现，严重影响生产的稳定及进一步提高。
因此实现高精度、大规模、自动化的选矿生产对各选矿企业有极为重要的意义。
以前在这类控制中大多是以继电器，接触器等电器设备来或是用单片机来完成控制，自动化程度低，规模小，稳定性和安全性也小。
现在，随着可编程控制器（PLC），组态软件以及变频调速技术的发展迫切的要求我们要能够使用PLC实现选矿系统的自动控制。
首先PLC技术的具有很多优点如可靠性高，抗干扰能力强，适应性强，应用灵活。
多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便。
编程方便，易于使用。
梯形图语言和顺控流程图语言使编程简单方便。
控制系统设计、安装、调试方便。
维修方便，工作量小。
功能完善。
除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能块，还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，既方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。
组态软件技术具有直观，实时控制的特点广为使用。
基于以上优点，我们用PLC实现选矿综合自动化控制系统是非常必要的。
也正是我们需要解决的问题。
对此，我们对选矿综合自动化控制系统的初步设计方案就是使用工业控制计算机作为上位机，PLC作为控制器（下位机），低压控制电路作为我们的执行机构，采用集中控制台、集中组态双模式控制。
其中，最主要的将会是各种硬件的选型、连接以及PLC控制柜和控制台的设计。
以下几个章节将详细介绍具体的设计。
2选矿厂矿石破碎系统总体设计方案
2.1系统总体设计思想
选矿自动化主要以提高产量与品位，节能降耗，增加效益为目标。
大中型选矿自动化系统是指运用各种自动控制技术完成破碎筛分、磨矿、分级、选别、浓缩脱水、过滤、精矿输送等工序，从而筛选出高品质精矿的控制系统。
稳定性、准确性是系统必备的要素。
[4]该系统在工业生产中常以可编程控制器（PLC）来完成控制功能。
在工业生产中大力开发使用PLC完成控制功能的选矿自动化系统是非常必要的。
本设计正是完成基于PLC为控制器的选矿厂综合自动化系统设计。
系统应该具有以下两个特点：
1、高靠性。
上位机采用工业控制计算机,抗干扰,防尘,防振,能适应现场恶劣环境的要求；为保证正常生产,程序上采用连锁结构,提高了系统的安全度,系统可对设备故障及现场故障进行声、光报警,并报出故障内容,原因和时间；2、实时性。
位机通过Wincc组态实现对整个生产过程的集中管理,分析系统的运行状态及实时进行监控,当过程参数出现偏差或故障时能迅速响应,予以判断并实时处理,下位机完成实时控制和操作。
2.2破碎筛分环节控制分析及优化
破碎机为矿山主要生产设备之一，因破碎机具有破碎比大、产量高、耗能少、产品粒度均匀等特点，获得广泛应用。
近年来，国内外众多厂商从产品结构上对该类设备不断地进行改进、完善，取得了比较好的效果，并相继推出众多高效、可靠、节能的新产品。
然而值得关注的是我国矿山现有破碎机以20世纪60～70年代老设备居多，并一直在生产中发挥着重要的作用。
若对这些老设备进行自动化改造，实现自动控制，在矿山具有广阔的前景。
破碎工序是选矿厂的第一道工序，该工序能否稳定正常的工作直接影响后续作业情况。
本设计旨在设计一种高效破碎机控制系统，通过对油温、油位的检测实施对破碎机安全工作状态的分析和报警；通过对破碎机工作电流和给矿量的检测和分析实施破碎机优化给矿的控制；通过对料仓料位的检测和各破碎机能力的分析实施自动布料和破碎机工作的优化平衡；最终使整个系统安全、稳定、高效的运行。
2.3破碎筛分阶段的优化效果
该自动控制系统不仅保护了圆锥破碎机，而且在保证产品粒度合格率的基础上相应提高了处理能力，运用该系统后将大大的节约电能、降低油耗、提高破碎机工作效率、减少岗位人员配置、提高设备的安全可靠性、减少设备维修的费用、
通过人性化的组态界面使操作起来简单方便，便于管理。
此外，由于稳定了破碎工况，从而最终提高了与之相关的磁选、筛分等相关工艺流程的整体运行效率。
2.4选矿厂破碎系统组成环节
基于工艺与现场，本系统由分散控制系统组成，各部采用独立的控制器，组成分散控制系统，具体组成如图2所示。
图2破碎环节系统组成
本系统分为三级系统，各级系统均可实现控制的目的，亦可通过集中控制状态，实现整个系统的自动控制。
各控制环节均设置中控室，采取远程控制，通过工业计算机作为上位机，组成一级系统，达到组态监控的目的，使系统控制更加直观、简洁；二级系统（下位机）采用西门子公司的S7—300PLC（可编程控器）组成，该工业控制器可满足中小型选矿厂的控制要求；三级系统为现场控制，由现场的具体控制设备构成，采用电气控制箱、控制柜，完成现场的人工控制过程。
此过程主要在设备检修及调试过程中使用，亦可作为紧急状态下的控制。
[5]
一级系统（上位机）和二级系统（下位机）通过MPI总线联系通信；[6]二级和三级系统则通过数据电缆通信；这样三个系统构成了整个生产管理及控制体系。
一级系统完成数据集中管理任务。
二级系统用于采集和处理各种信号,并输入上位机,完成独立系统的分散控制功能。
[7]系统的硬件组成为：
Ⅰ、上位机（工业控制计算机）:
包括1台工业控制机,显示器,UPS电源,打印机和操作键盘等是系统的中枢,它接收下位机的信号,除显示打印存储外,还按照程序要求回馈下位机运行方式和数据。
Ⅱ、下位机（PLC）:
采用抵抗工业恶劣环境能力强且可靠性高的S7—300PLC实现。
2.5系统总体布局图
图3系统总体布局图
2.6现场控制与远程中央控制
现场设备控制柜设有启停等操作按钮，为继电接触器控制系统；远程中控室设置操作台和上位机，操作台上分别设置每个设备的启停等操作按钮，这些操作按钮连接PLC输入端，由按钮通过PLC控制设备运行；远程中控室设置操作台设有“现场”和“手动”和“自动”切换开关，当开关放在“现场”位置时远程中央控制失效，由操作员现场本地操作控制；当开关放在“手动”位置时，操作员可通过中控室操作台人工操作控制系统运行。
当开关放在“自动”位置时，操作员可通过中控室上位机组态监控软件Wincc操作控制系统。
3综合自动化破碎系统硬件介绍及选型
由于可编程序控制器在工业控制领域中所占的核心地位和日趋重要的发展态势。
本章对选矿厂分散控制系统中的可编程控制器进行了详细的介绍，并对可编程控制器S7-300的各个模块进行了细致的选型及设计。
3.1S7-300PLC及PLC选型要点
3.1.1S7-300简介
西门子S7-300可编程序控制器是模块化小型PLC系统，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展，能满足中等性能要求。
其主要的组成部分有:
导轨、中央处理单元模板、接口模板（IM）、信号模板（SM）、功能模板（FM）等。
S7-300系统组成如图4所示。
图4基于PLCS7-300的组态
3.1.2PLC的选型要点
在系统设计时，在确定控制方案以后，下一步工作就是PLC设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。
熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
（1）输入输出（IO）点数的估算
IO点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。
实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行调整。
（2）存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此大体上都是按数字量IO点数的10～15倍，加上模拟IO点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
（3）机型的选择
①PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。
从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的IO点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种IO卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的IO点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。
②输入输出模块的选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。
例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。
对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。
输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。
可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。
考虑是否需要扩展机架或远程IO机架等。
③电源的选择
PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。
重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。
如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。
为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。
④存储器的选择
由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个IO点至少选8K存储器选择。
需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。
3.2PLC及模块选型
鉴于以上要点，由于该选矿系统工艺过程比较固定，不易选用整体式结构的PLC，易选用模块式结构的PLC；系统以开关量控制为主、带少量数字量控制，对控制速度没有太多要求，带AD转换、DA转换、加减运算、数据传送功能就能满足要求；此外系统控制功能要求要实现PID运算、闭环控制、通信联网等。
因此，S7-300系列可编程控制器能满足性能要求。
本系统设计选用西门子（Siemens）公司的SIMATICS7-300模块化PLC系统，各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。
[8]
3.2.1PLC的中央处理器CPU的选型
根据被控对象的IO点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，选用SIEMENS公司的S7-300系列PLC的CPU为315-2DP。
[9]CPU315－2DP是唯一带现场总线（PROFIBUS）SINECL2-DP接口的CPU模板，具有48KB的RAM,80KB的装载存储器，可用存储卡扩充装载存储乳容量最大到512KB。
最大可扩展1024点数字量或128个模拟量。
315-2DP具有中、大规模的程序存储容量和数据结构，如果需要，可以供SIMATIC功能工具使用，它对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力，可用于大规模的IO配置，建立分布式IO结构。
根据输入输出点数的要求选择CPU315（6ES7315-2AF00-0AB0）作为本次设计的中央处理器。
[10]
图5CPU315模块面板布置示意图
图5CPU315模块面板布置示意图
3.2.2PLC数字量输入输出模块的选型与线路连接
数字IO模块包括用于SIMATICS7-300的数字输入和输出,通过这些模块，可将数字传感器和执行元件与SIMATICS7-300相连。
由于315-2DPPLC的CPU本身没有输入输出接口，需要使扩展模块作为系统的IO口。
在本系统中我们采用SM321以及SM322来满足系统的要求。
[11]
SM321数字量输入模板将现场送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平，有四种型号模板可供选择，即直流16点输入，直流32点输入，交流8点输入，交流32点输入。
因为破
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